NCM封面文章|秦潔瓊教授/吳忠帥研究員?：?二維介孔氮摻雜炭/石墨烯納米片的可控合成及其高性能微型超級電容器

近年來，隨著微型化芯片式電子設備及其集成微系統的快速發展，亟需開發與之匹配的高性能微型超級電容器。那么，尋找合適的電極材料被認為是提高微型超級電容器能量密度的關鍵之一。氮摻雜炭/石墨烯納米片作為一類突出的石墨烯基二維材料，具有高的比表面積、多的活性位點、超薄的厚度、較高的贗電容、優異的導電性和良好的浸潤性。同時，介孔結構的引入可以進一步增大材料的比表面積，提高材料和器件的容量和循環性能。因此，設計合成二維介孔氮摻雜炭/石墨烯（mNC/G）材料，并將其應用于微型超級電容器具有重要意義。

河南農業大學的秦潔瓊教授課題組和中科院大連化學物理研究所的吳忠帥研究員課題組合作，報道了一種孔徑可調的mNC/G納米片，并將其應用于高性能的平面微型超級電容器。通過以苯胺為前驅體，氧化石墨烯為二維導向劑，二氧化硅納米球為介孔模板，可以實現mNC/G介孔孔徑的精確調控和其電化學性能的優化。研究表明，7?nm孔徑的介孔氮摻雜炭/石墨烯（mNC/G-7）展現出最高的比表面積（433 m² g^-1）和比電容（267 F^?g^-1），且應用于準固態平面微型超級電容器表現出21.0?F cm^-3的體積比電容和1.9?mWh cm^-3的體積能量密度。該研究工作發表在《新型炭材料（中英文）》上，題目為：二維介孔氮摻雜炭/石墨烯納米片的可控合成及其高性能微型超級電容器。

圖1?2D mNC/G納米片的合成示意圖

圖2?2D mNC/G的結構表征圖：（a-c）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的TEM圖，（d-f）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的HRTEM 圖

圖3?2D mNC/G 的電化學性能：（a）?mNC/G-7的CV 曲線，（b）mNC/G-7的GCD 曲線，（c）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22在1 A g^?1時的 GCD曲線，（d）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22比電容隨電流密度變化的曲線，（e）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的EIS 圖，（f）mNC/G-7、mNC/G-12和mNC/G-22的循環性能

圖4?mNC/G-MSCs的電化學性能：（a）微電極的俯視SEM和（b）橫截面SEM圖，（c）mNC/G-MSCs在5～100 mV s^?1下的CV曲線，（d）mNC/G-MSCs在 0.05～1 mA cm^?2下的GCD 曲線，（e）mNC/G-MSCs比電容隨掃描速率的變化曲線，（f，g）1～3個器件并聯的CV和GCD 曲線，（h，i）1～3個器件串聯的CV和GCD曲線

圖5?mNC/G-MSCs的Ragone圖：（a）mNC/G-MSCs的面積能量密度和功率密度曲線，（b）mNC/G-MSCs體積能量密度和功率密度曲線

該工作構筑的準固態平面微型超級電容器（mNC/G-MSCs）表現出高的體積能量密度?（1.9 mWh cm^?3），優于目前報道的很多石墨烯基微型超級電容器。而且，mNC/G-MSCs還具有出色的串/并聯自集成能力和電化學一致性。因此，這項工作通過二維石墨烯基介孔材料的可控制備和微型超級電容器有效構筑，對微型化芯片式電子產品的發展具有一定的參考意義。

New Carbon Materials文章信息

YANG Zhi, ZHOU Feng, ZHANG Hong-tao, QIN Jie-qiong, WU Zhong-shuai. Controllable synthesis of 2D mesoporous nitrogen-doped carbon/graphene nanosheets for high-performance micro-supercapacitors. New Carbon Mater., 2022, 37(5): 936-943.

http://xxtcl.sxicc.ac.cn/cn/article/doi/10.1016/S1872-5805(22)60633-4

通訊作者簡介

秦潔瓊，河南農業大學 校聘教授，校拔尖人才，碩士生導師。2020年博士畢業于中國科學院大連化學物理研究所，主要從事二維介孔納米材料的可控制備和微型儲能器件的應用研究。目前已在Nat. Commun.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Adv. Funct. Mater.，Electrochem. Energy Rev.，Energy Storage Mater.等主流刊物上發表學術論文40余篇，其中第一/共一作者論文共12篇；申請專利7項，其中已授權3項。主持國家自然科學基金1項，參與完成多項國家重點項目等課題。

吳忠帥，中國科學院大連化學物理研究所 首席研究員，博士生導師，催化基礎國家重點實驗室二維材料化學與能源應用研究組組長（508組），國家杰出青年科學基金獲得者，英國皇家化學會會士。主要從事二維材料與高效電化學能源的應用基礎研究，包括柔性化、微型化平面儲能器件、超級電容器、先進電池和能源催化。目前已在Nat. Commun.，J. Am. Chem. Soc.，Adv. Mater.，Angew. Chem. Int. Ed.，Energy Environ. Sci.，Chem，Natl. Sci. Rev.等期刊發表論文220余篇，其中第一/通訊作者論文共150余篇。所有文章被SCI他引29000余次，36篇論文入選ESI高被引論文；申請國家發明專利90余項，其中授權17項；申請國際標準/國家標準各1項、獲批國家標準1項。先后獲第十三屆遼寧青年科技獎、中科院引進“海外杰出人才”終期評估優秀獎、國家自然科學二等獎、遼寧省自然科學一等獎、全球同行評審獎、Nano Research新銳青年科學家、愛思唯爾Energy Storage Materials青年科學家、中科院大連化物所張大煜優秀學者、中科院大連化物所冠名獎-優秀導師獎、盧嘉錫優秀導師獎、中國科學院大學-澳大利亞必和必拓優秀導師獎、沙特基礎工業公司-中國科學院大學優秀導師獎等多項獎勵/榮譽。

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《新型炭材料（中英文）》??????

SCI-E、EI收錄期刊與中文核心期刊

影響因子：3.7（2021年度）

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